交流励磁电机在泵站中的应用研究

张振州

(广东省源天工程有限公司，广州 511340)

1 概 述

交流励磁电机是将三相交流线绕式异步电机转子通入三相交流电，使其产生磁力促使交流励磁电机开始工作。交流励磁电机中包含同步电机和异步电机的零件，因此也具有这两者的功能。交流励磁电流中的各种参数都能够精准调控电机的转柜、转速以及电机定子侧的无功功率和有功功率。随着科学技术的发展，我国的交流励磁电机技术应用非常成熟，已被广泛推广和使用在多个领域，具有很多功能。但交流励磁电机技术还未运用在泵站中。

如今在我国的大型泵站中都是采用直流励磁的立式同步电机，但将整个作为主电机，电机的功率会因为变负载发生很大的浮动，并且水泵使用范围覆盖小，需要调节水泵的叶片角度让水泵能够适应各种情景。因此，有些大型泵站因为扬程变化大，已经开始尝试将交流励磁电机作为泵站的主电机，采用交流励磁电机技术。但是因为要采用变频技术，所以需要大量的经费，目前还未广泛应用。交流励磁电机能够精准控制转速达到控制有功功率和无功功率的目的，所以能提升泵站的运行效率。

本文利用励磁交流电机的运行理论建立一个全新的交流励磁电机模型，采用定子磁场定向矢量控制的方案，采用仿真处理。结果表明，交流励磁电机的运行效率高，并且可减少能源的损耗，降低泵机组的运行成本，扩大泵机组的功能效益。

2 励磁控制理论

2.1 励磁控制基本原理

按照供电方式差异，可以分成他励和自励。他励供电方式，主要由发电机不通过电流为交流励磁电机提供电源，在交流励磁电机运行过程不受发电机状态的干扰，相互独立的运行各自的设备。而自励供电方式是由发电机本身作为交流励磁电机的电源，直接为电机提供交流励磁电流，能够快速运行以及便于维修。现通过以下3个代表性系统说明交流励磁电机的运行原理。

2.1.1 直流励磁机励磁系统

直流励磁机励磁系统由发电机(GS)、机端电流互感器(TA)、机端电压互感器(TV)、发电机出口断路器(QF)和励磁调节器(AVR)共 5 部分构成。直流励磁机运行首先需要电流，励磁电流通过GS设备产生，然后输送至AVR调节励磁电压。见图1。

图1 自励式直流励磁机励磁系统示意图

2.1.2 交流励方式励磁系统

交流励方式励磁系统比直流励磁机励磁系统拥有更先进的设备和仪器，如励磁变压器(T1)、可控硅整流器(U1)和硅整流器(U2)等机器。交流励磁电机运行时，流通的电流需要利用变压器和变流器将其转换为交流励磁电源，采用 U2 或 U1设备改变电流，最后需要将交流电流转变为直流电流，运用电子整流技术能够达到此目的。所有设备见图2。

图2 交流励静止励磁系统示意图

2.1.3 自并励方式励磁系统

自并励方式励磁系统比直流励磁机励磁系统也增加一些设备，功能更加全面，励磁变压器(T1)和可控硅整流器(U)等两个部分，通过交流励磁电机的出口能够获得励磁电源需要的电压，见图3。

图3 自并励静止励磁系统示意图

2.2 不同励磁系统优劣比较

通过查阅相关文献，研究交流励磁电机的运行原理，整合所有的励磁方式和控制方式，并分析其优点和缺点，为本次交流励磁电机在泵站的应用提供必要的支持。具体比较内容见表1。

表1 励磁系统优劣势比较表

3 交流励磁电机的控制策略和分析

对于交流励磁电机来说，需要将实际的交流量分解成有功分量和无功分量来控制直流电动机的性能，因此交流励磁电机的系统具有和直流电机运用的系统相似的特性，拥有闭环控制有功和无功功率的功能。实施针对性的策略，在同步旋转坐标系中需要决定一个矢量作为定向矢量，因为定子磁场矢量不发生变化，所以将其作为定向矢量，然后将定子磁场方向定为d轴方向，而q轴必须比d轴超越90°。通过研究发现，采用工频为50 Hz的发电机和电动机的定子绕组产生的电阻是所有工频下最小的，近似为0，在相关计算上可以减少未知量，简化计算过程。研究表明，当电网的频率和电压不变时，可决定出定子磁场的方向。

在同步旋转坐标系中的定子瞬时有功功率P和无功功率Q的计算如下：

(1)

因为q轴比d轴超越90°，而且相电压矢量也比磁场矢量超越90°，使相电压矢量在q轴的正方向上，为了将电压综合矢量变为常数便于计算，所以需要将定子和频率恒定的电网相连接能够达到此目的。因此，在相电压矢量处于q轴正方向的同步旋转坐标系的瞬时有功功率P、无功功率Q的计算如下：

(2)

通过式(1)与式(2)可知，电机有功功率P和无功功率Q与定子电流有功分量Iqs和其无功分量Ids成正比关系。因此，能够通过正比关系从而控制电流的有功和无功分量，进行精准调控电机的有功功率和无功功率。

转子电流和转子电压的计算方程为：

(3)

(4)

(5)

则：

(6)

(7)

通过式(5)、式(6)、式(7)3个式子能够将转子电压进行分解，就能从多个方面控制转子电压和电流，增强精准调控的效果。将Uqr、Uqr采用2/3变换方法，将电压变为电子电压量，通过产生相关的指令控制转子励磁电源，从而具有精准调控所有主电路的开关，进而为控制三相交流励磁电源的频率、大小和相位提供基础。

本文采用电压模型法进行磁场定向，磁链观测器采用电压模型并按以下公式构造：

(8)

(9)

式中：φMA为M轴与定子A相绕组轴线之间的夹角；φMa=φMA+θ，θ是A相与a轴线的夹角，利用检测器测量两个轴的夹角。

这种磁通观测器具有许多优势：①定子电压非常稳定，易于后期检测工作和积分计算。②该模型结构简单，操作步骤也很简单，得到的结果也很接近预期结果。

因为交流电机的转子能量具有流动性，而且拥有双向流动的特征，所以采用的变频器必须要可以使转子能量在电机和电网中相互交换，将变频器和电源连接就能促使转子能量进行流动。在实际中应用交流励磁电机有重大发现：双PWM交-直-交变频器能够高效率的输出和输入相关电流，能够根据实际需求得到相应的正弦电流，能量是双向流动的。交流励磁电机的转速范围得到的转差功率影响转子电路的功率，相比大型泵站同步电机系统所采用的定子变频设备，该设备不需要花费大量的资金。控制框图见图4。

图4 按定子磁场定向的交流励磁电机控制框图

4 定子磁场定向控制方法的仿真研究

构建仿真模型时，需要采用Matlab中的电气系统，主要利用模块库(PSB)模块和Simulink模块，实际运行的版本为Matlab7.0。交流励磁电机仿真模型的定子侧和转子侧都跟电网相互连接，但是两者的连接方式不同，前者是直接连接，而后者需要采用双PWM变流器间接连接。利用转子侧逆变器控制电机的转速，通过控制定子磁场的方向达到调节的目的，通过控制测网电压的交网侧整流器达到调控直流电压和电机的有功功率以及无功功率的目的。仿真所用的是一台泵站用国产的2 000 kW/6 kV，50 Hz(P=12)的绕线式异步电机，定子Y接，定子额定电流201 A，额定转速250 r/min,定子电阻0.003 79 Ω，转子电阻0.003 14 Ω，转动惯量945 kg·m2。通过仿真模型的实验验证，在电机平稳运行时，利用仿真技术研究了交流励磁电机的有功功率和无功功率以及调节转速，得出的仿真波形图结果见图5。

图5 有功功率独立调节仿真结果

由图5可知，当给定有功功率在第3 s将100 MW增加为300 MW时，交流励磁电机的转速和功率仍然不变。而在电机转速波形图中，当交流磁力电机的转速在第5 s将转速245 r/min突增为255 r/min时，交流励磁电机的有功功率和无功功率仍然不发生变化。通过仿真实验得到的以上3个波形图可知，采用该策略能够独立调节交流励磁电机的有功功率、无功功率以及转速。因此在泵站中，采用交流励磁电机能够精准、独立控制设备的有功功率、无功功率以及转速。

5 结 语

1)通过建立交流励磁电机系统的仿真模型进行仿真实验，发现交流励磁电机能在不干扰其他参数的条件下，独立调节有功功率、无功功率和转速。因此在泵站中，采用交流励磁电机作为主电机，通过变速运行使整个泵站运行处于高效状态，保证泵站机器的运行速率，维持水泵高效运行的状态。

2)仿真模型对实验系统的建立提供了理论依据。而且水泵需要利用大量的能源促使其进行运转，而采用交流励磁电机能够减少能源的损耗，降低水泵的运行成本，达到低成本运行的目的。因此，在泵站中使用交流励磁电机是有着非常重要的意义。